ZESZY TY N A U K O W E PO LITEC H N IK I ŚLĄSK IEJ Seria: T R A N SPO R T z. 38
1999 N r kol. 1433
A leksander U BY SZ M arek D Y K IER
OCENA PRZEBIEGOWEGO ZUŻYCIA PALIWA SAMOCHODÓW OSOBOWYCH
Streszczenie. W artykule scharakteryzow ano różnice w przebiegow ym zużyciu paliwa sam ochodów osobow ych w g starej i nowej norm y oraz podano różnice w toku jeg o określania na drodze analitycznej.
A CRITICAL ESTIMATION OF ROUTE FUEL CONSUMPTION IN PASSENGER CARS
Sum m ary. In the paper, there is confronted a form er norm o f the route fuel consum p
tion w ith norm binding now adays and there are show ed differences between them.
1. W STĘP
W katalogach pojazdów dane dotyczące przebiegow ego zużycia paliw a pow inny być obliczane w g jednego obow iązującego generalnie na danym obszarze testu jezdnego i regu
lam inu. W krajach U nii Europejskiej zasady przeprow adzania tych pom iarów oraz obow ią
zujące norm y ustala K om isja ds. Em isji Pojazdów Silnikow ych M V EG (M otor V ehicle E m is
sions Group) [1],
D la sam ochodów osobow ych w krajach europejskich je st w użyciu cykl, tzw. ECE, zgodny z regulam inem R15, opracow any przez E uropejską K om isję Gospodarczą. Podsta
w ow y profil prędkości tego cyklu składa się z trzech trapezow ych m odułów oddzielonych postojam i, trw ającym i po 21s, a czterokrotne pow tórzenie tego 195 s profilu poprzedzone 40 s czasem rozgrzew ania się sam ochodu składa się na tzw. m iejski europejski cykl jezd n y (UDC - urban driving cycle). W porów naniu z odpow iadającym m u cyklem am erykańskim FTP-75 je st mniej dynam iczny i mniej adekw atny do złożonych w arunków ruchu m iejskiego, ale
dzięki tem u prostszy w realizacji na stanow isku i łatw y w obliczeniu [2].
2. C H A R A K T E R Y S T Y K A D A N Y CH PR ZEBIEG O W EG O ZU ŻY CIA PA LIW A S A M O C H O D Ó W O SO BO W Y CH
O d 1997 r. znajdujem y się w okresie przejściow ym , w którym w katalogach podaje się dane przebiegow ego zużycia paliw a sam ochodów w g dwu testów jezdnych: w cześniej obo
w iązującego regulam inu 89/491/EW G , którego dane przebiegow ego zużycia paliw a nadm ier
nie odbiegały od zużycia rzeczyw istego, co często na niekorzyść producentów sam ochodów kw estionow ali użytkow nicy, oraz obow iązującego od dw u lat rozw iniętego cyklu jezdnego zgodnego z n o w ą no rm ą 9 3 /1 16/CE, w g którego przebiegow e zużycie paliw a je s t w yższe od w cześniej obow iązującego, a w ięc bardziej bliskie rzeczyw istem u [3].
W y n ik obliczeń przebiegow ego zużycia paliw a w g norm y w cześniej obow iązującej operow ał czterem a w ielkościam i, z których najczęściej prezentow ana była w artość średniego zużycia, tzw . E urom ix, będąca średnią arytm etyczną trzech w artości: zużycia p aliw a w cyklu m iejskim (EC E R 15) oraz zużycia przebiegow ego przy jeźd zie ze stałą prędkością 90 i 120 km /h. N a n isk ą w artość E urom ixu rzutowało szczególnie niskie zużycie paliw a przy jeżdzie ze stałą p ręd k o ścią 90 km /h oraz - z uwagi na pom inięcie 40 s okresu rozgrzew ania silnika - m niejszy ud ział i tak ju ż zaniżonego zużycia paliw a w cyklu m iejskim . D latego obecna norma w yelim inow ała testy stałych prędkości w stałych w arunkach jazd y jak o m ało reprezentatyw ne do w arunków drogow ych, a w ich m iejsce w prow adzono test tzw. ja z d y pozam iejskiej, regu
low any przepisam i E C E R83 (EU D C - Extra U rban D riving Cycle: pozam iejski europejski cykl jezd n y ). Jego w artość w w iększości przypadków je s t bardziej zbliżona do zużycia prze
biegow ego, odpow iadającego jeździe ze stałą prędkością 90 niż 120 km /h [4,16], D ecydujący o znacznym w zroście średniego zużycia paliw a obliczanym w g now ej norm y jak o średnia w ażona (cykl kom binow any) je st cykl m iejski, którego udział w zrósł z 33,33.. do 37% , a 63%
udziału m a cykl ja z d y pozam iejskiej.
Z estaw ienie przebiegow ego zużycia paliw a w g starej i obecnie obow iązującej norm y dla w ybranych m odeli sam ochodów Audi , VW i Opel przedstaw iono w tabeli 1 [4].
Z auw ażalne je s t znacznie w iększe zużycie paliw a w cyklu m iejskim w g now ej nor
m y na 10 - 25% , a to ze w zględu na obow iązujący obecnie pom iar zużycia ze startu „zim ne
go” , czyli z uw zględnieniem 40 s - w cześniej pom ijanego - okresu rozgrzew ania się silnika na biegu jało w y m . T ak w ięc przedstaw ione dane nie potw ierdzają sugerow anego w literaturze w ęższego przedziału rozrzutu przebiegow ego zużycia paliw a w cyklu ja z d y m iejskiej na n ie
korzyść now ej norm y w granicach 20±3% [5, 6, 7]. Znacznie w iększy rozrzut w granicach od + 10 do + 25% uzasadniony je s t zróżnicow anym czasem dochodzenia silnika w sam ochodzie
Ocena przebiegow ego zużycia paliwa... 31
do stanu rozgrzania w w yniku stosow ania rozw iązań o zróżnicow anym stopniu efektyw ności działania, a stosow anych ze w zględu na konieczność skrócenia czasu doprow adzenia katali
zatora do tem peratury pracy [17]. N atom iast średnie w artości przebiegow ego zużycia paliw a w teście ja z d y pozam iejskiej przew yższają zużycie przy jeździe ze stałą prędkością 90 km /h o 5 do 18% (patrz tabela 1).
T abela 1 Porów nanie przebiegow ego zużycia paliw a obliczanego w g starej (8 9 /4 9 l/E W G ) i nowej
(9 3 /1 16/EC) norm y dla w ybranych sam ochodów
Pojazd / silnik
Zużycie paliwa w dm3/100 km
Cykl miejski 90 km/h
Cykl pozam.
% 120
km/h
Euromix Zużycie ważone
ECE “zimny" %
VW Polo 1,05 7,5 9,4 25,3 5,3 5,6 5,7 7,1 6,6 7,0
VW Polo 1,0 6,6 7,7 16,7 4,8 4,9 2,1 6,4 5,9 5,9
VW Polo 1,4 8,2 9,6 17,1 5,3 5,4 1,9 7,0 6,8 6,9
Audi A4 1,6 9,7 11,2 15,5 5,6 5,9 5,4 7,2 7,5 7,9
Audi A4 1,9 TDI 6,1 7,0 14,8 3,9 4,4 12,8 5,4 5,1 5,4
Audi A4 2,8 11,8 13,6 15,3 6,4 7,0 9,4 8,3 8,8 9,4
Audi A4 1,9 TDI Avant
6,8 7,8 14,7 4,1 4,8 17,1 5,5 5,5 5,9
Audi A4 2,8 Avant 12,1 13,6 12,4 6,8 7,0 2,9 8,3 9,1 9,4
Audi A6 2,5 TDI Avant
7,9 10,0 26,6 5,1 5,3 3,9 7,0 6,7 7,0
Audi A6 1,8 20V 10,6 12,1 14,2 6,1 6,4 4,9 7,9 8,2 8,5
Audi A6 2,5 TDI 7,5 9,9 32,0 4,8 5,3 10,4 6,7 6,3 6,9
Audi A4 1,8 quattro Av
11,0 13,1 19,1 6,5 7,2 10,8 8,2 8,6 9,4
Audi A4 2,8 quattro Av
12,7 14,8 16,5 6,8 7,9 16,2 8,7 9,4 10,4
Opel Astra 1,8 - 10,9 - 5,2 6,0 15,4 6,7 4,0 7,8
N a rys. 1 przedstaw iono graficzne porów nanie w zględnego przebiegow ego zużycia paliw a (w artość w ażona - M V EG ) sam ochodu z silnikam i ZI o różnym system ie zasilania i spalania przy m asie testowej pojazdu stałej - 1474 kg [6].
3. O B L IC Z A N IE PR ZEB IEG O W EG O ZU ŻY CIA PA LIW A SA M O C H O D U
O bliczanie przebiegow ego zużycia paliw a w cyklu jazd y m iejskiej i pozam iejskiej najprościej obliczyć dzieląc odpow iednie testy jezd n e na elem entarne odcinki drogi przeje
chanej ze stałą prędkością, przy rozpędzaniu ze stałym dla danego odcinka przyspieszeniem
£ 1 JZ O
3 2 1
JO
O >
too c(0
£
_>o Ü0)
R ys. 1. Z różnicow anie przebiegow ego zużycia paliw a przy zim nym i gorącym starcie sam ochodu z silnikam i ZI o różnym system ie zasilania
Fig. 1. V ariation o f route fuel consum ption w ith a cold and hot start o f car provided with spark ignition engine and different supply system s
oraz pozostałe, do których zaliczyć należy postoje, ham ow anie i przełączanie biegów , p od
czas których silnik pracuje praktycznie na biegu luzem [9, 10].
Z nając charakterystyką ogó ln ą silnika w g ogólnie znanego w zoru m o żn a określić dla p oszczególnych odcinków zakresy pracy silnika (patrz rys. 2) i za p o m o cą prostego w zoru obliczyć p rzebiegow e zużycie paliw a [8]:
2 = 7 ( ~ ^ r Z ~ + G j Tj ) , [dnrVm.],
gdzie: W d- objętościow a w artość opałow a paliw a, [M J/dm 3], E - energochłonność paliw a, [M J],
Ti„ - średnia spraw ność napędu dla danego odcinka,
Gj - godzinow e zużycie paliw a przy pracy silnika na biegu luzem , [dm 3/h], L - droga całkow ita, [m.],
T b| - łączny czas pracy silnika w czasie testu bez obciążenia (bieg luzem ), [h].
I B MVEG Heiß ' mam MVEG kalt
Serie AVL-CBR GDI Serie AVL GDI
( H o c h r e c h n u n g )
Ocena przebiegow ego zużycia paliwa. 33
3.1. Spraw ność napędu
Przedstaw iony w zór służy do przybliżonego określania przebiegow ego zużycia p ali
wa, gdyż przyjęte w nim średnie w artości param etrów i w skaźników w w arunkach rzeczyw i
stych pod leg ają znacznym w ahaniom , często nie do końca rozpoznanym . Spraw ność napędu to iloczyn spraw ności ogólnej silnika i układu przeniesienia napędu.
Spraw ność silnika przy pracy na poszczególnych biegach m ożna w yliczyć z bilansu mocy i w ten sposób na charakterystyce ogólnej silnika otrzym am y punkty lub odcinki pracy (przy przyspieszaniu), odpow iadające określonej sprawności ogólnej silnika. Przyjęcie takiej m etody o tyle nie odpow iada rzeczyw istości, że charakterystyki ogólne w yznacza się w usta
lonych w arunkach pracy silnika, a w obu cyklach jezdnych w iększość czasu silnik pracuje w w arunkach nieustalonych.
D latego w ostatnich latach w literaturze fachowej coraz częściej w celu określenia sprawności silnika zam iast m inim alnego jednostkow ego zużycia paliw a, odpow iadającego praw ie pełnym obciążeniom , podaje się zużycie jednostkow e odpow iadające częściow ym obciążeniom , typow ym dla testu jazd y miejskiej (rys. 2) - n = 1500 m in '1, pe = 2,62 bara [12]
lub 2000 m in '1, 1,5 bara i pozam iejskiej - 4000 m in '1, 5 bar [13].
N atom iast spraw ność układu przeniesienia napędu, szczególnie przy ruszaniu z m iej
sca i zm ianie biegów , podlega na tyle znacznym w ahaniom , że w efekcie końcow ym jej śred
nia w artość m oże przyjąć w artość znacznie n iższą od tej zalecanej w literaturze - 0,63 zam iast 0,93-0,96 [8]. Jednym ze sposobów uw zględnienia strat poślizgu na sprzęgle w czasie rusza
nia z m iejsca i zm iany biegów je st uw zględnienie strat pracy tarcia sprzęgła, odpow iednio 7 - 13 i 3 - 5,5 kJ (niższe w artości przy przełączaniu na w yższych biegach) [11].
3.2. O bliczenie energochłonności ruchu
Energochłonność ruchu dla najbardziej złożonego przypadku ruchu w testach 9 3 /1 16/CE, tzn. podczas rozpędzania, obliczam y w g znanego w zoru:
E = mgfLn + 0,6A cx v2 Ln + amLn, [Nm]
W e w zorze tym m asę pojazdu zależnie od klasy przyjm uje się jak o m asę w łasną po
w iększoną o 75 kg masy kierow cy z bagażem oraz m asa paliw a przy zbiorniku napełnionym w 90%. W spółczynnik oporów toczenia f w e w spółczesnych sam ochodach osobow ych waha
się w przed ziale 0,010 - 0,015, a naw et dochodzi do 0,008 [14], a w sam ochodach ciężaro
w ych do 0,006.
Rys. 2. P unkty pracy na charakterystyce silnika przy realizacji testów jezdnych przez VW G o lf 1,6 CL
Fig. 2. W o rking points on engine universal charakteristic for car w orking out o f E CE R 15 and E C E R 83 drive cycles
P ow ierzchnia czołow a A i w spółczynnik oporów aerodynam icznych c x nie pozw alają na duży m argines błędu, gdyż w pierw szym przypadku prostokąt przekroju poprzecznego, w ynikający z w ym iarów gabarytow ych, je st pom niejszony o dobrze rozpoznany w spółczyn
n ik w ypełnienia h, natom iast w drugim przypadku cx m ieści się dla sam ochodów osobow ych
O cena przebiegow ego zużycia paliwa. 35
w dość w ąskim przedziale 0,28 - 0,33, łatwym do ustalenia [3]. C złon ten m a decydujące zna
czenie tylko przy jeźd z ie z prędkością powyżej 50 km /h (cykl jazdy pozam iejskiej) i dlatego w przypadku rozpędzania pojazdu najlepiej energochłonność oporów aerodynam icznych obli
czać za p o m o cą funkcji całkującej [7],
W trzecim członie rów nania, dotyczącym rozpędzania pojazdu, przyspieszenie „a”
je s t narzucone przez normę.
4. O B L IC Z A N IE PR ZEB IEG O W EG O ZU ŻY CIA PA LIW A
Pozostaje tylko problem , ja k liczyć zużycie przebiegow e dla cyklu ja z d y m iejskiej w w arunkach „zim nego” startu, w czasie gdy silnik przez pierw szych kilkadziesiąt sekund do
chodzi do stabilizacji w arunków pracy, dla których podaw ane s ą je g o charakterystyki ogólne, pom ocne w obliczaniu spraw ności napędu? W tym przypadku niezbędne są w skazane w cze
śniej dane literaturow e [5, 6, 7] i dane z tabeli 1, określające, na ile start „zim ny” w pływ a na w zro st przebiegow ego zużycia paliw a w stosunku do zużycia dla startu „gorącego” . O bliczo
ne zużycie paliw a odpow iada w cyklu m iejskim starej norm ie, nie uw zględniającej rozgrze
w ania zim nego silnika. D latego też, aby w ynik obliczeń był bliski rzeczyw istym w ynikom m ierzonym na ham ow ni podw oziow ej, należy uw zględnić 18±7% w zrost zużycia paliw a na rozgrzanie silnika oraz określone straty na sprzęgle. W silnikach now oczesnych, spełniają
cych norm ę Euro 2, obliczoną w artość pow iększam y o procent z dolnego przedziału, a w przypadku braku w iedzy o silniku i pojeździe dodajem y 18-20%.
N ow a norm a Euro 2 poza bardziej racjonalnym pom iarem zużycia paliw a w prow a
dziła rów nież konieczność podaw ania - odpow iadającego tem u zużyciu - em isji C O2, odpo
w iedzialnego za efekt cieplarniany na Ziem i. N a podstaw ie em isji zw iązków w ęglow ych w spalinach, m iędzy innym i toksyn, m ożna m etodą bilansu w ęgla obliczyć z d u żą dokładnością (96-98% ) przebiegow e zużycie paliw a [7, 9, 15].
W ostatnich czterech latach naukow cy i producenci sam ochodów postaw ili sobie am bitne zadanie osiągania przez sam ochody osobow e przebiegow ego zużycia paliw a na po
ziom ie do 3,0 dm 3/100km [14], Z bilansu w ęgla dla paliw ropopochodnych takiem u zużyciu odpow iada em isja CO2 na poziom ie 90 g/km , podczas gdy obecnie produkow ane sam ochody m ają em isję tego zw iązku na poziom ie 130-270 g/km . Celem projektu sam ochodu oszczędne
go je st, jeże li m am y w przyszłości najbliższej korzystać na taką skalę z paliw ropopochod
nych, zredukow anie zużycia paliw a do technicznie m ożliw ego m inim um , przy rów noczesnym zachow aniu em isji toksycznych zw iązków na poziom ie określonym odpow iednim i, co 5 lat
coraz bardziej rygorystycznym i, przepisam i. Z użycie to je s t osiągane przy ograniczonej pręd kości m aksym alnej, co - ja k było do przew idzenia - w ym agać będzie dodatkow ych ograni
czeń adm inistracyjnych. O becnie s ą ju ż prototypy takich sam ochodów osobow ych, w których w ym agany poziom przebiegow ego zużycia paliw a osiągnięto dzięki podjęciu w ielokierunko
w ych działań, jak: zm niejszenie dzięki nowym technologiom (klejenie, nitow anie) m asy po
jazd u , oporów ja z d y i now ym koncepcjom silników, ja k np. w prototypow ym sam ochodzie Sm ILE w ysoko doładow any silnik ZI 0,36V2 o sym bolu SA V E [14] lub ju ż produkow any silnik ZS 1,2R3 T D I D iata do VW Lupo [18],
5. W N IO SK I
N a podstaw ie zaprezentow anego m ateriału m ożna w yciągnąć następujące w nioski ogólne:
1. W artości przebiegow ego zużycia paliw a m ierzonego w cyklu ja z d y m iejskiej z rozruchu
„zim nego” silnika (now a norm a 9 3 /1 16/EC) p rzew yższają o 10 - 25% przebiegow e zuży
cie m ierzone z rozruchu „ciepłego” , a więc z rozrzutem znacznie w iększym niż to podają dane literaturow e - 18-22% , i to zarów no dla sam ochodów napędzanych silnikam i ZI ja k i ZS.
2. W artości przebiegow ego zużycia paliw a m ierzonego w cyklu ja z d y pozam iejskiej są w yż
sze od 4 do 15% od przebiegow ego zużycia dla ja z d y ze stałą pręd k o ścią 90 km /h, przy czym w yższe w artości częściej w ystępują przy napędzie silnikam i ZS.
3. W analitycznej m etodzie określania przebiegow ego zużycia paliw a w g now ej norm y n ie
zbędne je st w obliczeniach uw zględnienie określonego naddatku paliw a na „zim ny” roz
ruch (tylko w cyklu ja z d y m iejskiej), straty energii w sprzęgle przy ruszaniu z m iejsca (ok.
8 ± 2 kJ) i przy zm ianie biegów na w yższe (3 - 5,5 kJ).
L iteratura
1. B ielaczyc P., M erkisz J.: Tendencje w rozw oju w ym agań dotyczących ograniczania emisji zw iązków szkodliw ych ze źródeł silnikowych - 1999. K onferencja „P ojazd a środow isko” , R adom 1999.
2. C hłopek Z.: A naliza testów jezdnych do celów oceny ekologicznych w łaściw ości silników spalinow ych. K onferencja „Pojazd a środow isko” , R adom 1999.
3. U bysz A.: C haracteristics o f tractional total efficiency o f carengines. X V -th International Sym posium on C om bustion Processes, Zakopane, 1997.
O cena przebiegow ego zużycia paliwa.. 37
4. B ecker N. I in.:Neue Ottom otoren fur den VW Polo. M TZ nr 9, 1996.
5. B ielaczyc P., i in.: U w agi o pom iarach zużycia paliw a w silnikach sam ochodow ych. A r
chiw um M otoryzacyjne nr 1, 1996.
6. Freidl G. I in.: D irecteinspritzung bei O ttom otoren: A ktuelle Trends und zukünftige State- gien. M TZ, nr 2, 1997.
7. C hłopek Z. I in.: O cena ekologicznych w łaściw ości silników spalinow ych w fazie nagrze
w ania się i rozruchu. K onferencja „Pojazd a środow isko” Radom , 1999.
8. S iłk a W .: E nergochłonność ruchu sam ochodu. W N T, W arszaw a 1997.
9. M erkisz J.: W pływ m otoryzacji na skażenie środow iska naturalnego. W yd. Pol. P oznań
skiej, Poznań, 1994.
10. D irective 94/12/EC o f the European Parlam ent and the Council o f 23 M arch 1994.
11. G aliew skij E., Blinów E.: Sniżenije potier w scieplieni pri razgonie A TS. A w tom obilnaja Prom yszliennost. N r 9, 1987, s .1 2 - 13.
12. H auser G ., i in.: D er neue 1,7-1-Zetec-SE-Motor fur das Sportcoupe Pum a. M TZ, s. 192 - 198, M T Z nr 4,1997.
13. B reitw ieser K., i in.: D er neue V ierventilm otor m it 1,6 1 H ubraum von O pel. M TZ s.420- 433 nr 9, 1993.
14. G uzella L., M artin R.: D as SA V E - M otorconcept. M TZ s.644-653, nr 10, 1998.
15. A bgasvorschriften für PK W (w yciąg z norm).
16. K em m ann H.: D er neue M otor mit 1,8 1 H ubraum für den Opel A stra. M T Z nr 4, 1998 s.224 - 235.
17. U bysz A.: W spółczesne silniki sam ochodowe. Skrypt U czelniany P olitechniki Śl. n r 2118, wyd. n , G liw ice 1998.
18. L U PO - na kropelką paliwa. AUTO - Technika M otoryzacyjna. S.6-7, nr 9, 1999.
Recenzent: Prof. dr hab. inż. Stanisław Jarnuszkiew icz
W płynęło do Redakcji 28.04.1999 r.
A bstract
A form er norm o f route fuel consum ption was confronted with a norm binding nowadays.
D ifferences betw een these norm s were showed. A m ethod o f calculation and effects o f va
rious param eters on the value o f route fuel consum ption w ere introduced and analysed. The very interesting illustrations in sphere o f choice o f the param eters and rates, e. g. engine total efficiency and w orking points of car on engine universal charakteristic w ere presented.
